Máquina a vapor

MOTOR A VAPOR
Experimento Feria Científica
DESCRIPCIÓN BREVE
La máquina de vapor, que en el pasado fue el
futuro de muchas cosas que fueron inventadas
gracias a la máquina de vapor, que revoluciono
la tecnología. ¿Sería posible que tuviéramos la
misma vida que tenemos ahora de no ser por
este invento tan importante?
Sandoval Figueroa Roselyn Jimena
Curso de ciencias naturales tercero básico
sección B. profesor Rodrigo García.
Curso de matemática de tercero básico sección
B, profesor Marco Hernández.

Roselyn Sandoval 23/08/2021
Tercero Básico Sección “B”
ÍNDICE
Título “Motor a vapor”
• Motor a vapor ……………………………………………………………………………………………… PÁG.3
• Introducción ……………………………………………………………………………………………….. PÁG.3
• Máquina de Savery (1698) ………………………………………………………………………….. PÁG.4
• James Watt ……………………………………………………………………………….………………… PÁG.5
• Su influencia y huella en la historia de la industria …….………………………………… PÁG.6
Título “Termodinámica”
• Termodinámica …………………………………………………………………………………………... PÁG.8
• ¿Qué es una máquina ideal y reversible? ……………………………………………………...PÁG.8
• Un ejemplo del resultado de Carnot ………………………………………………………….. PÁG.10
• Leyes de la termodinámica ………………………………………………………………………… PÁG.11
a) Resumen de fórmulas y ecuaciones abarcadas a lo largo del tema ………….……..… PÁG.11
b) Experimento de motor a vapor casero ……………………………………………….………..….. PÁG.12
c) Bibliografía ……………………………………………………………………………………………….……... PÁG.13

Motor a vapor
Uno de los grandes inventos de la historia fue la máquina de vapor, donde el agua jugó un
papel determinante. La creación de un mecanismo de generación de movimiento basado
en el vapor de agua fue la antesala de numerosos avances en el campo del transporte, entre
otros.
El desarrollo de la ciencia moderna del calor estuvo estrechamente ligado al desarrollo de
la tecnología moderna de máquinas diseñadas para realizar trabajo. Durante milenios y
hasta hace dos siglos la mayor parte del trabajo se realizaba por animales (humanos y de
otras especies). El viento y el agua también proporcionaban trabajo mecánico, pero en
general no son fuentes de energía fiables, ya que no siempre está disponibles cuando y
donde se necesitan.
En el siglo XVIII, los mineros comenzaron a cavar cada vez a más profundidad en su
búsqueda de mayores cantidades de carbón. El agua tendía a filtrarse e inundaba estas
minas más profundas. Se planteó la necesidad de un método económico para bombear el
agua y sacarla de las minas. La máquina de vapor se desarrolló inicialmente para satisfacer
esta necesidad concreta.

¿Qué es?
La máquina de vapor es un dispositivo para convertir la energía térmica del calor que
produce un combustible en trabajo mecánico. Por ejemplo, la energía química de la madera,
el carbón o el petróleo, o la energía nuclear del uranio, pueden convertirse en calor. La
energía térmica a su vez se utiliza para hervir el agua para formar vapor, y la energía en el
vapor se convierte en energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser utilizada
directamente para realizar trabajo, como en una locomotora de vapor, o utilizada para
bombear agua, o para transportar cargas, o se transforma en energía eléctrica. En las
sociedades post-industriales típicas de hoy, la mayor parte de la energía utilizada en las
fábricas y en los hogares proviene de la energía eléctrica. Parte viene de saltos de agua y
del viento, pero la fuente que garantiza el suministro continuo y a demanda sigue siendo la
proveniente de generadores.
Existen otros dispositivos que convierten el combustible en energía térmica para la
producción de energía mecánica, como los motores de combustión interna utilizados en
automóviles, camiones y aviones, por ejemplo. Pero la máquina de vapor sigue siendo un
buen modelo para el funcionamiento básico de toda la familia de los llamados motores
térmicos y la cadena de procesos desde la entrada de calor hasta la salida de trabajo y el
escape de calor residual es un buen modelo del ciclo básico involucrado en todos los
motores térmicos.
Modelo moderno de eolípila
Desde la antigüedad se sabe que el calor se puede utilizar para producir vapor que, a su vez,
puede realizar trabajo mecánico. Un ejemplo fue la eolípila, inventada por Herón de
Alejandría alrededor del año 100. Se basaba en el mismo principio que hace que giren los
aspersores de jardín, excepto en que la fuerza motriz era el vapor en vez de la presión del
agua. La eolípila de Herón era un juguete, hecho para entretener más que para hacer un
trabajo útil. Quizás la aplicación más «útil» del vapor en el mundo antiguo fue otro de los
inventos de Herón. Este dispositivo asombraba a los fieles congregados en un templo al
hacer que una puerta se abriera cuando se encendía un fuego en el altar.
Máquina de Savery (1698)
No fue hasta finales del siglo XVIII que los inventores empezaron a producir máquinas de
vapor con éxito comercial. Thomas Savery (1650-1715), un ingeniero militar inglés, inventó
la primera máquina de este tipo, a la que dio en llamarse “la amiga del minero”. Podía
bombear el agua de una mina llenando alternativamente un tanque con vapor de alta
presión, lo que llevaba vaciaba el agua del tanque empujándola hacia arriba, condensando
después el vapor, lo que permitía que entrase más agua en el tanque.

Desafortunadamente, el uso de vapor de alta presión por parte de la máquina Savery
implicaba un importante riesgo de explosiones de calderas o cilindros. Thomas Newcomen
(1663-1729), otro ingeniero inglés, solucionó este defecto. Newcomen inventó una
máquina que utilizaba vapor a menor presión. Su máquina era mejor también en otros
aspectos. Por ejemplo, podía elevar cargas distintas al agua. En lugar de usar el vapor para
forzar el agua dentro y fuera de un cilindro, Newcomen utilizó vapor para forzar un pistón
hacia adelante y presión de aire para forzarlo hacia atrás. El movimiento del pistón podía
utilizarse para mover una bomba u otro tipo de máquina.
La máquina Newcomen fue ampliamente utilizada en Gran Bretaña y otros países durante
el siglo XVIII. Según los estándares modernos, no era una máquina muy buena. Quemaba
una gran cantidad de carbón, pero realizaba solo una pequeña cantidad de trabajo a una
velocidad lenta y espasmódica. Pero la gran demanda de máquinas para sacar agua de las
minas era un buen mercado, incluso para una máquina ineficiente.
James Watt
El trabajo de un escocés, James Watt, condujo a una máquina de vapor muy mejorada y que
tendría importantes consecuencias económicas. El padre de Watt era un carpintero con un
negocio de éxito dedicado a vender equipamiento a los armadores de buques. Sería en el
taller del ático de su padre donde James Watt desarrollaría una considerable habilidad en
el uso de herramientas. Quería convertirse en un fabricante de instrumentos y fue a Londres
para aprender el oficio. A su regreso a Escocia en 1757, obtuvo un puesto como fabricante
de instrumentos en la Universidad de Glasgow.
En el invierno de 1763-1764, Watt fue requerido para reparar un modelo del motor de
Newcomen que era utilizado en las clases prácticas de la universidad. Al familiarizarse con
el modelo, Watt quedó impresionado por la cantidad de vapor que se requería para hacer
funcionar la máquina. Realizó una serie de experimentos sobre el comportamiento del
vapor y encontró que un problema importante era la temperatura de las paredes del
cilindro. La máquina de Newcomen desperdiciaba la mayor parte de su calor calentando las
paredes del cilindro, ya que las paredes se enfriaban en cada ciclo al inyectar agua fría para
condensar el vapor y forzar el retorno del pistón con aire a presión.
A principios de 1765 Watt remedió esta ineficiencia ideando un tipo modificado de máquina
de vapor. En retrospectiva, parece una idea tonta de lo simple que es, pero en su momento
fue verdaderamente revolucionaria. Después de empujar el pistón hacia arriba, el vapor se
El movimiento del pistón en una máquina de vapor, hacia adelante y hacia atrás, es uno de
los orígenes de la definición de trabajo mecánico, W, como fuerza (F) x distancia (d), W = F·d.

hacía pasar a un recipiente separado, llamado condensador, donde el vapor se condensaba
a una temperatura baja. Con este sistema, el cilindro que contiene el pistón podía
mantenerse caliente permanentemente, y el condensador podía mantenerse frío todo el
tiempo.
Regulador centrífugo de Watt
El uso de un condensador separado permitía grandes ahorros de combustible. La máquina
de Watt podía hacer el doble de trabajo que el de Newcomen con la misma cantidad de
combustible. Watt también agregó muchos otros refinamientos, tales como válvulas de
control automático que se abrían y cerraban mediante la acción alternativa del propio
pistón, así como un regulador centrífugo que controlaba la cantidad de vapor que llegaba a
la máquina, lo que permitía mantener una velocidad constante. Esta idea de usar parte de
la salida del proceso para regular el proceso en sí, se llama retroalimentación. Es una parte
esencial del diseño de muchos sistemas mecánicos y electrónicos modernos.
Su influencia y huella en la historia de la industria
Al igual que Thomas Edison más tarde, o los
emprendedores tecnológicos de éxito en nuestros
días, Watt y sus asociados aunaban ser buenos
hombres de negocios y excelentes ingenieros.
Hicieron una fortuna fabricando y vendiendo las
máquinas de vapor mejoradas. Las invenciones de
Watt estimularon el desarrollo de máquinas que
podían hacer muchos otros trabajos. El vapor
movía las máquinas en las fábricas, las locomotoras
de ferrocarril, los barcos de vapor, e incluso los
primeros coches de vapor, incluyendo maquinaria
pesada semoviente. La máquina de Watt dio un estímulo enorme al crecimiento de la
industria en Europa y América. Ayudó así a transformar la estructura económica y social de
la civilización industrial. El desarrollo generalizado de motores y máquinas revolucionó la
producción en masa de bienes de consumo, construcción y transporte.
El nivel de vida medio en Europa Occidental y los Estados Unidos aumentó
considerablemente. Es difícil para la mayor parte de nosotros en los países industrializados
«desarrollados» imaginar cómo era la vida antes de esta «Revolución Industrial».
Pero no todos los efectos de la industrialización fueron beneficiosos. De hecho, la palabra
“medio” del párrafo anterior encubre una enorme desigualdad. El sistema manufacturero
del siglo XIX proporcionaba a algunos empleadores codiciosos y crueles la oportunidad de
tratar a los trabajadores casi como esclavos. Sin leyes laborales o de protección infantil,

esos empleadores obtenían fortunas mientras mantenían a los empleados ya sus familias al
borde de la inanición.
Según avanzaba el siglo XIX cada vez más personas abandonan las granjas, voluntariamente
o forzadas por la pobreza y las nuevas leyes de propiedad, para trabajar en las fábricas. El
conflicto se intensificó entre otra novedad, la clase obrera, formada por empleados, y la
clase media, formada por empleadores y profesionales.
Al mismo tiempo, algunos artistas e intelectuales, muchos del movimiento romántico,
comenzaron a atacar las nuevas tendencias de esta sociedad. Vieron esta sociedad cada vez
más dominada por el comercio, la maquinaria y el énfasis en los bienes materiales. En
algunos casos, confundieron la ciencia como tal, con sus aplicaciones técnicas y éstas con el
uso comercial de las mismas por parte de empresarios sin escrúpulos. La reacción llevaba a
estos intelectuales a echar en cara a los científicos el explicar todos los maravillosos
misterios de la naturaleza. Estos artistas denunciaron tanto a la ciencia como a la tecnología,
aunque en la mayor parte de los casos se negaban a aprender algo sobre ellas.
Estas actitudes siguen estando a la orden del día y son parte de una vieja tradición, que se
remonta a los antiguos opositores griegos al atomismo de Demócrito. Muchos escritores y
artistas románticos atacaron la física galileana y newtoniana por supuestamente
distorsionar los valores morales. El mismo tipo de acusación que se escucha hoy por parte
de la anti-ciencia y que es un continuo desde la máquina de vapor.

Termodinámica:
Ciencia base del motor a vapor
Carnot fue uno de los ingenieros franceses que se propusieron estudiar los principios
científicos subyacentes al funcionamiento de la máquina de vapor con el objetivo de lograr
la máxima potencia de salida con la máxima eficiencia. Como resultado de sus estudios,
Carnot y otros ayudaron a establecer la física del calor, lo que se conoce como
termodinámica.
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832), en esta imagen vistiendo el uniforme de
estudiante de L’École polytechnique, fue hijo de Lazare Carnot, uno de los generales de
confianza de Napoléon. Murió a los 36 años como consecuencia de la epidemia de cólera
que se extendió por Europa en la época.
Carnot comenzó con la observación experimental de que el calor no fluye por sí solo de un
cuerpo frío a uno caliente. Se deduce entonces que si, en una situación dada, se hace fluir
calor de lo frío a lo caliente, debe tener lugar algún otro cambio en otra parte. Es decir, debe
realizarse algún trabajo. Por ejemplo, un refrigerador o un acondicionador de aire son
también «máquinas térmicas», pero su ciclo funciona de manera inversa a una máquina de
vapor o un motor de automóvil. Hace falta trabajo (en forma de energía eléctrica o
mecánica) para bombear el calor de un cuerpo frío (desde el interior del compartimento o
la habitación fríos) a uno más caliente (la habitación donde está el refrigerador o el aire
exterior). Utilizando una argumentación muy elegante1 Carnot demostró que ninguna
máquina puede ser más eficiente que una máquina ideal y reversible, y que todas las
máquinas de este tipo tienen la misma eficiencia.
¿Qué es una máquina ideal y reversible?
De entrada, algo que no existe en el mundo real (por eso se llama ideal), pero que es
extremadamente útil para entender los límites de las máquinas reales. Íntimamente ligado
a la idealidad está el concepto de reversibilidad. Una máquina reversible es aquella en la
que el ciclo desde la energía de entrada al trabajo de salida más la energía residual, y vuelta
a la energía de entrada,se puede ejecutar en sentido inverso sin ninguna pérdida o ganancia
adicional de calor u otras formas de energía.
Como todas las máquinas reversibles tienen la misma eficiencia, sólo se tiene que elegir una
versión simple de una máquina reversible y calcular su eficiencia para un ciclo para
encontrar un límite superior a la eficiencia de cualquier máquina. Esta máquina simple se
representa esquemáticamente en el siguiente diagrama. Durante un ciclo de
funcionamiento, la máquina, representada por la C de Carnot, absorbe la energía térmica
Q1 del cuerpo caliente a temperatura T1, produce un trabajo útil W, y descarga una cierta

cantidad de energía térmica Q2 al cuerpo frío a temperatura T2. El ciclo puede repetirse
muchas veces.
Observando el diagrama y empleando la ley de conservación de la energía vemos que se
tiene que cumplir que Q2 = Q1 – W; o, dicho en términos coloquiales, el calor que sale es la
diferencia entre el que entra menos el trabajo que realiza la máquina. Pero, como la
eficiencia vimos que era la proporción entre la energía de salida (ahora añadimos “útil”,
esto es, el trabajo) y la energía de entrada, tenemos que ef = W/Q1.
Carnot calculó la eficiencia de este ciclo esquemático y encontró que las proporciones de
calor y trabajo en una máquina reversible dependen solamente de la temperatura2 de la
sustancia caliente desde la cual la máquina obtiene el calor y la temperatura2 de la
sustancia fría que extrae el calor residual de la máquina.
La expresión que encontró Carnot para la eficiencia de las máquinas reversibles es, escrita
con nomenclatura actual, ef = W/Q1 = 1 – T2/T1.
Démonos cuenta de que la única forma de obtener una eficiencia del 100%, es decir ef = 1,
es si hacemos que T2, la temperatura de la sustancia que recibe el calor residual sea el cero
absoluto, algo físicamente imposible, como veremos. Esto significa, de nuevo en términos
coloquiales, que toda máquina debe liberar algo de calor residual al exterior antes de volver
a tomar más energía del cuerpo caliente. Y esto, tan simple, es de una importancia enorme.
La máquina ideal de Carnot, tan sencilla como es, explica algunos aspectos fundamentales
del funcionamiento de máquinas y motores de todo tipo y permite formular un principio
fundamental de la naturaleza.
Las chimeneas anchas de la derecha en realidad son torres de refrigeración. Las chimeneas
auténticas por las que salen los gases de la combustión del carbón de esta planta de
generación eléctrica son las altas y delgadas.
Notas:
• Una argumentación a la que, por su simplicidad, importancia y valor formativo,
dedicaremos una anotación específica.
• 2 Las temperaturas usadas en este caso se llaman temperaturas absolutas (T), o Kelvin,
(por el señor Kelvin que fue el primero en introducir esta escala). En la escala absoluta, las
mediciones de temperatura son iguales a las temperaturas (t) en la escala Celsius (°C) más
273. No se usa signo de grado, °, para grados Kelvin, el símbolo utilizado es K. Por tanto, el
agua se congela a T = 273 K y cuando T = 0 K hablamos de cero absoluto. Ya explicaremos
el origen de esta escala más adelante en la serie.
Las temperaturas usadas en este caso se llaman temperaturas absolutas (T), o Kelvin, (por el
señor Kelvin que fue el primero en introducir esta escala). En la escala absoluta, las
agua se congela a T = 273 K y cuando T = 0 K hablamos de cero absoluto. Ya explicaremos el
origen de esta escala más adelante en la serie.
na argumentación a la que, por su simplicidad, importancia y valor formativo, dedicaremos
una anotación específica.
Las temperaturas usadas en este caso se llaman temperaturas absolutas (T), o Kelvin, (por el
señor Kelvin que fue el primero en introducir esta escala). En la escala absoluta, las

Cualquier máquina que derive su energía mecánica del calor se debe enfriar para eliminar
el «desperdicio» de calor a una temperatura más baja. Si hay alguna fricción u otra
ineficiencia en la máquina, agregarán más calor residual y reducirá la eficiencia por debajo
del límite teórico de la máquina ideal.
Sin embargo, a pesar de las ineficiencias de todas las máquinas reales, es importante saber
que nada de la energía total se destruye. Lo que ocurre con la parte de la energía de entrada
que llamamos residual es que no se puede emplear para hacer trabajo útil. Así, el calor
residual no puede ser reciclado como energía de entrada para hacer funcionar la máquina
para producir más trabajo útil y así aumentar la eficiencia del motor a base de reducir la
cantidad de energía residual, porque el depósito de calor de entrada está a una temperatura
más alta que el de salida, y el calor no fluye por sí mismo de frío a caliente.
La observación de Carnot, que parece tan obvia, esa de que el calor no fluye por sí solo de
un cuerpo frío a uno caliente, y que la necesidad de acondicionadores de aire y
refrigeradores ilustra tan bien, no, es más, si se generaliza, que una forma de expresar un
principio fundamental de la naturaleza: la segunda ley de la termodinámica. Esta ley es una
de las más potentes que conocemos, dada su capacidad para explicar cosas: desde cómo y
en qué sentido ocurren los fenómenos naturales a los límites fundamentales de la
tecnología. Volveremos a ella repetidamente en esta serie.
Un ejemplo del resultado de Carnot
Si quemamos gasóil para calefacción en una caldera en el sótano de nuestro edificio,
sabemos que parte del calor se pierde por la chimenea en forma de gases calientes y otra
como calor perdido porque el propio quemador no puede estar aislado por completo. Con
todo, los recientes avances en tecnología de calderas han dado como resultado calderas
con una eficiencia nominal de hasta 0,86, o 86%.
Ahora bien, si preferimos radiadores eléctricos, nos encontramos con que es probable que
la compañía de energía eléctrica todavía tenga que quemar petróleo, carbón o gas natural
en una caldera, Y después conseguir que esa electricidad generada llegue a nuestra casa.
Debido a que los metales se funden por encima de una cierta temperatura (por lo que la
sustancia caliente no puede superar la temperatura de fusión de su contenedor) y debido a
que el agua de refrigeración nunca puede caer por debajo del punto de congelación (porque
entonces sería sólida y no fluiría, lo que pone un límite inferior de temperatura a nuestra
sustancia fría), el hallazgo de Carnot hace imposible que la eficiencia de la generación
eléctrica supere el 60%. Dado que la caldera de la compañía de energía también pierde
parte de su energía por la chimenea, y dado que existen pérdidas de electricidad en el
camino desde la planta que la genera, sólo alrededor de un cuarto a un tercio de la energía
que había originalmente en el combustible llega realmente a tu casa. Una eficiencia, en el
mejor de los casos, del 33 %. Paradójicamente, la calefacción eléctrica es mucho menos

sostenible que una caldera de gasóil si las plantas que generan energía emplean
combustibles fósiles.
Debido a los límites encontrados por Carnot para las máquinas térmicas, a veces es
importante no sólo dar la eficiencia real de una máquina térmica, sino también especificar
lo cerca que está del máximo posible. Los aparatos de calefacción domésticos y muchos
aparatos eléctricos de gran potencia, como frigoríficos y acondicionadores de aire, vienen
ahora con una etiqueta que indica la eficiencia relativa del aparato y el potencial de ahorro
anual en coste de electricidad.
Leyes de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica. Se relaciona
con el principio de conservación de energía. Esto
significa que la energía en un sistema no puede
ser destruida o creada, solo transformada. La
fórmula que representa la primera ley de la
termodinámica es la siguiente: ΔU=Q+W, ΔU=
Cambio en la energía interna, Q= Calor añadido
al sistema, W= Trabajo efectuado por el sistema
La segunda ley de la termodinámica es una
generalización de los límites de una máquina térmica y
se basa en el trabajo de Carnot. Pero para poder llevarla
a cabo necesitamos una idea nueva.
2
1
Resumen de fórmulas y ecuaciones abarcadas a lo largo del tema:
• Fórmula para el funcionamiento de la máquina de vapor: Trabajo mecánico, W, como
fuerza (F) x distancia (d), W = F·d.2. (pág. 3, Máquina de Savery)
• Fórmula para calcular eficacia de una máquina reversible: La expresión que encontró
Carnot para la eficiencia de las máquinas reversibles es, escrita con nomenclatura actual,
ef = W/Q1 = 1 – T2/T1. (pág.6, ¿Qué es una maquina ideal y reversible?) absoluta, las
agua se congela a T = 273 K y cuando T = 0 K hablamos de cero absoluto. Ya explicaremos
el origen de esta escala más adelante en la serie.
na argumentación a la que, por su simplicidad, importancia y valor formativo, dedicaremos
una anotación específica.

Experimento de motor a vapor casero
El motor a vapor casero es un ejemplo común
de cómo se aplican los términos y bases de la
termodinámica ya que es base del
calentamiento del agua de donde se obtiene la
fuerza y energía.
Este experimento es fácil de realizar en casa,
pero un poco peligroso a la hora de realizarlo
ya que incluye fuentes de calor y combustibles
inflamables lo que pone en riesgo la seguridad del sujeto.
Conclusión:
Las máquinas de vapor son utilizadas por nosotros en muchas de nuestras actividades,
aunque no nos percatemos de ello; pero no son muchos los individuos capaces de definir
con exactitud qué es realmente una máquina de vapor.
En el experimento realizado sobre el motor de vapor casero podemos ver cómo hacer
funcionar o que gire una turbina por medio de vapor dándole impulso con el mismo para
que este gire. A esto se le puede llamar turbina de vapor o motor de vapor. La función que
realiza que explica el cómo funciona un motor de vapor cuando está en la transformación
de la energía de un flujo de vapor pasando a realizar energía termodinámica.

Bibliografía
http://www.abcpedia.com/ciencia-tecnologia/maquinas-de-vapor
https://www.fundacionaquae.org/quien-invento-la-maquina-de-vapor/

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